JP2011075917A - 光導波路素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
基本モードの損失を抑制しながら、効率的に高次モードを減衰させることが可能な光導波路、所謂、低損失かつ単一モードの光導波路を有する光導波路素子を提供すること。
【解決手段】
高屈折率のコアと、該コアより低屈折率のクラッドからなり、少なくとも複数の導波モードを有する光導波路を備えた光導波路素子において、該光導波路の長手方向の一部もしくは全長に渡り、該光導波路の外側の片側もしくは両側に、該光導波路における基本モードと２番目のモードとの間の実効屈折率に設定された導波手段が配置され、該導波手段で高次モード光を除去し、該光導波路にシングルモード光を残すことを特徴とする。
好ましくは、該光導波路はリブ導波路構造２３であり、該導波手段は該リブ導波路構造のコア部の高さより低いスラブ導波路構造２４であることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、光導波路素子に関し、特に、低損失かつ単一モードの光導波路を有する光導波路素子に関する。

ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３。以下、「ＬＮ」という。）に形成した光導波路を用いた光変調器は、高速、低損失、制御光波形の歪みが少ないなどの長所があるが、半導体光変調器と比較すると、駆動電圧が大きい、サイズが大きいなどの短所がある。

この短所を克服するためには、光導波路の閉じ込めを強くし、断面積を小さくして、光と電気の相互作用を高める必要がある。ところが、従来の強誘電体の光デバイスでは、光導波路として、ニオブ酸リチウムの基板にＴｉなどの不純物を熱拡散したものが用いられている。このため、このような光導波路はグレーテッド型の屈折率分布を持つため、これ以上光の閉じ込めを小さくすることは難しい。

他方、半導体などで用いられている基板上にエピタキシャル成長した高屈折率の薄膜上に、ドライエッチング等を利用して凸状の畝を形成したリブ（リッジ）型導波路（図１参照）は、導波路材料２（屈折率ｎｆ）とクラッド３（屈折率ｎｃ）、基板１（屈折率ｎｓ）の屈折率差を利用して光を閉じ込めるため、拡散導波路と比べて強閉じ込めの導波路を作製することができる。なお、リブ導波路を符号２０で示す。

ＬＮ等の強誘電体では、薄膜をエピタキシャル成長させることが困難なため、リブ構造を適用することができなかったが、近年、薄板研磨技術の向上により１０μｍ以下の薄板を作製することが可能となっており、薄板研磨とパターニング技術およびドライエッチング技術を用いることでリブ導波路の作製が可能となっている。

実際に、リブ構造を用いて、非特許文献に示す波長変換デバイスや、特許文献１に示す光変調器が実現されており、従来構造のデバイスより高効率化や小型化ができることが示されている。

しかしながら、リブ導波路構造の場合、閉じ込めが強くなる分、マルチモードになりやすいため、シングルモード動作させるために構造上の工夫が必要である。リブ導波路の特性は、基本的にリブ部分の高さを含めた基板厚さＨ、リブ部分の幅Ｗ、リブ部分の高さＤ（エッチング深さ）の３つのパラメータにより決まる。

リブ構造でシングルモード導波路とするには、以下のように、大きく３つの方法がある。
（１）導波路構造を極端に小さくする。
（２）リブ部分の高さＤを低く、リブ部分の幅Ｗを狭くして、シングルモード条件を満たすようにする。（非特許文献２参照）
（３）２つ目以降のモードをリーキー(leaky)なモードとして有効な長さを伝搬しないようにすることで、実効的にシングルモードとする。

上記（１）の方法は、Ｓｉ細線光導波路で適用されているが、加工精度を向上させる必要があり、少なくともＬＮのような強誘電体では実用レベルには至っていない。また、上記（２）の方法は、図２に示すようにシングルモードとなる条件が光の閉じ込めを弱くする方向であり、例えば光変調器への適用を考えたときに、半波長電圧Ｖπの減少や曲がり導波路における曲がり部での損失低減（より小さな曲率半径でも損失が少ないこと）など、良好な特性が得られる方向は、マルチモードとなる条件であり、シングルモード条件とは逆方向となる。このため、リブ構造にするメリットが余り得られない。

上記（３）の方法として、特許文献２では、図３に示すように、リブ導波路２１の両側の２つの溝部を挟んで外側に、リブ導波路と同じ高さのスラブ導波路２２を配置した構造を、リブ導波路の全長もしくは一部に設けて、高次モードをスラブ導波モードへ結合させて減衰させる方法が提案されている（特許文献２参照）。この方法は、基本モードよりも高次モードの方が電磁界プロファイルの広がりが大きいことを利用したものであり、リブ導波路の基本モード及び高次モード屈折率より高い導波モード屈折率をもったスラブ導波路を、基本モードが充分減衰し、高次モードが減衰しきれていない領域に近づけて配置することで、スラブ導波路と高次モードとの結合は大きく、スラブ導波路と基本モードとの結合は小さくでき、結果として高次モードのみを減衰させることができる。

つまり、特許文献２に示す方法では、リブ導波路の高次モードを両側のスラブ導波路のモード（放射モード）に結合させることにより高次モードを減衰させるものであり、以下のような原理に基づいている。
（ａ）スラブ導波路のモード（実効）屈折率は、リブ導波路の基本モードおよび高次モード屈折率よりも高いため、光は、リブ導波路からスラブ導波路へ漏れやすい構造となっている。
（ｂ）リブ導波路の基本モードと高次モードでは電磁界プロファイルの広がりは高次モードの方が大きい。
（ｃ）従って、基本モード/放射モードの結合と高次モード/放射モードの結合では後者の方が大きく、その差を利用して、高次モードを減衰させることができる。

ところが、特許文献２に示す方法では、基本モードに対する高次モード抑圧比が構造で原理的に決まってしまい、それ以上の値が得られない。従って、基本モードの損失が大きくなったり、逆に高次モードが十分抑圧されないという問題がある。

特開２００８−８９９３６号公報 特開２００４−２１９７５１号公報

R. Kou, S. Kurimura, K. Kikuchi, A. Terasaki, H. Nakajima, K. Kondou, and J. Ichikawa, "Uniformity of 50 mm-Long Quasi-Phase-Matched Adhered Ridge Waveguide, CLEO 2009 CThD1 R. A. Soref, J. Schmidtchen, and K. Petermann, "Large Single-Mode Rib Waveguides in GeSi-Si and Si-on-SiO2", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 27, No. 8, 1991

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、基本モードの損失を抑制しながら、効率的に高次モードを減衰させることが可能な光導波路、所謂、低損失かつ単一モードの光導波路を有する光導波路素子を提供することである。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、高屈折率のコアと、該コアより低屈折率のクラッドからなり、少なくとも複数の導波モードを有する光導波路を備えた光導波路素子において、該光導波路の長手方向の一部もしくは全長に渡り、該光導波路の外側の片側もしくは両側に、該光導波路における基本モードと２番目のモードとの間の実効屈折率に設定された導波手段が配置され、該導波手段で高次モード光を除去し、該光導波路にシングルモード光を残すことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光導波路素子において、該光導波路はリブ導波路構造であり、該導波手段は該リブ導波路構造のコア部の高さより低いスラブ導波路構造であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の光導波路素子において、該リブ導波路構造と該スラブ導波路構造との間には、幅が１〜１０μｍのトレンチが形成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載の光導波路素子において、該リブ導波路構造を構成する媒質の屈折率が２以上であることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の光導波路素子において、該リブ導波路構造を構成する媒質がニオブ酸リチウムであることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路の長手方向に渡り、複数の該導波手段が離散して配置されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、高屈折率のコアと、該コアより低屈折率のクラッドからなり、少なくとも複数の導波モードを有する光導波路を備えた光導波路素子において、該光導波路の長手方向の一部もしくは全長に渡り、該光導波路の外側の片側もしくは両側に、該光導波路における基本モードと２番目のモードとの間の実効屈折率に設定された導波手段が配置され、該導波手段で高次モード光を除去し、該光導波路にシングルモード光を残すため、低損失かつ単一モードの光導波路を有する光導波路素子を提供することが可能となる。

請求項２に係る発明により、光導波路はリブ導波路構造であり、導波手段は該リブ導波路構造のコア部の高さより低いスラブ導波路構造であるため、光の閉じ込めを強くしながらシングルモードの光導波路素子を提供することが可能となる。

請求項３に係る発明により、リブ導波路構造とスラブ導波路構造との間には、幅が１〜１０μｍのトレンチが形成されているため、リブ導波路構造とスラブ導波路構造とを明確に区別でき、トレンチの幅を調整することで、高次モード光を効率的に除去することが可能となる。しかも、トレンチの幅を１〜１０μｍとすることで、高次モード光の除去効率を維持しながら、安定したトレンチを加工形成することが可能となる。

請求項４に係る発明により、リブ導波路構造を構成する媒質の屈折率が２以上であるため、光の閉じ込めが強くマルチモードとなる光導波路素子についても、シングルモードに改善することが可能となる。

請求項５に係る発明により、リブ導波路構造を構成する媒質がニオブ酸リチウムであるため、本発明の光導波路素子を光変調器などに適用することも可能となる。

請求項６に係る発明により、光導波路の長手方向に渡り、複数の導波手段が離散して配置されているため、この不連続性により、接続損失を生じ、より多くの高次モード光を効率的に除去すること可能となる。

リブ型導波路の基本構造を示す図である。 図１に示す薄板のリブの基本構造（基板厚４μｍ）におけるＴＭモードに関するシングルモード条件を説明する図である。 特許文献２に示されように、高次モード光を除去するためのスラブ導波路構造を説明する図である。 本発明の光導波路素子に係るリブ構造を説明する図である。 リブの基本構造を利用したシミュレーションの境界条件を説明する図である。 スラブ導波路の最低次（基本モード）実効屈折率に係る計算結果を示すグラフである。 本発明の光導波路素子に係るリブ構造を利用したシミュレーションの境界条件を説明する図である。 シミュレーション結果であり、各モード光の分布状態を示す図であり、（ａ）リブ基本構造における基本モード光、（ｂ）本発明の構造における基本モード光、（ｃ）リブ基本構造における高次モード光、（ｄ）本発明の構造における高次モード光を各々示している。 本発明の光導波路素子の一例を示す断面図である。

以下、本発明の光受信器の制御方法について、好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、高屈折率のコアと、該コアより低屈折率のクラッドからなり、少なくとも複数の導波モードを有する光導波路を備えた光導波路素子において、該光導波路の長手方向の一部もしくは全長に渡り、該光導波路の外側の片側もしくは両側に、該光導波路における基本モードと２番目のモードとの間の実効屈折率に設定された導波手段が配置され、該導波手段で高次モード光を除去し、該光導波路にシングルモード光を残すことを特徴とする。

本発明における「光導波路における基本モードと２番目のモードとの間の実効屈折率に設定された導波手段」とは、着目する光導波路の外側の片側又は両側に配置される導波手段の実効屈折率が、当該光導波路における基本モードの実効屈折率と２番目の高次モードの実効屈折率との間の値になるよう設定されていることを意味している。そして、実効屈折率の調整方法としては、後述するような、スラブ導波路などの導波路の高さを調整する方法だけでなく、当該光導波路に高屈折材料をドープする、あるいは、スラブ導波路にＭｇＯなどをドープして屈折率を低減する方法や、当該光導波路をリッジ型導波路で形成し、該光導波路を構成する基板より低い低屈折率材料で構成した部材を、該光導波路を挟むように配置する方法など、種々の方法が採用可能である。

特許文献２のような従来のリブ構造の問題点は、スラブ導波路の最低次の実効屈折率がリブ導波路の基本モードの実効屈折率よりも高いところにある。このため、本発明では、スラブ導波路構造の最低次モードの実効屈折率が、リブ導波路構造の基本モードの実効屈折率より小さく、高次モードの屈折率より大きくなるように調整すれば、高次モードのみをリブ導波路構造からスラブ導波路構造へ移動結合させることが可能となる。

スラブ導波路構造の実効屈折率を下げるには、厚さを薄くして、スラブ導波路の閉じ込めを弱くすることで対応可能である。すなわち、図４に示すように、リブ導波路構造２３の両脇の凹部のさらに外側にリブ導波路よりも低いスラブ導波路部２４を持つような構造である。基本的に、リブ導波路構造を含めた基板厚みＨより、スラブ導波路構造を含めた厚みｈの方が小さくなっている。

この構造により、リブ導波路２３は、スラブ導波路２４に対して、導波構造が保てているため、リブ導波路の基本モード光は減衰せず、他方、高次モード光は、リブ導波路２３の実効屈折率よりも実効屈折率が高いスラブ導波路２４へ漏洩し易くなる。結果として、リブ導波路において基本モード光は減衰せず、高次モード光のみを減衰させることが可能となり、低損失かつ単一モードの光導波路を形成することが可能となる。

次に、本発明の光導波路素子の効果を確認するため、以下のような条件でシミュレーションを行った。なお、本発明との比較対象として、図１に示すような単峰のリブ部分を有するリブ導波路（リブ基本構造）を用いた。
（シミュレーションの条件（その１））
使用波長：１．５５μｍ
導波路部分の屈折率（ｎｆ）：２．１３（ＬｉＮｂＯ_３の異常光線に対する屈折率。今回のモデルではＺ板とし、光の偏向方向は基板に垂直方向（ＴＭモード）とした。）
上部クラッド（ｎｃ）及び下部クラッド屈折率（ｎｓ）：１．４５（上部クラッドとしてＳｉＯ_２を、下部クラッドとして接着剤を想定）
リブ上部幅（Ｗ）：４μｍ
リブ部高さ（Ｄ）：２μｍ
リブ導波路を含む基板厚み（Ｈ）：４μｍ
リブ側面の傾斜角度：７０°

上記シミュレーションの条件において、図１のリブ基本構造では、マルチモードとなり、モード解析により、各モードの実効屈折率は以下のようになる。
・基本モード実効屈折率：2.11775674
・２つめのモード実効屈折率：2.10682458
図５は、図１に相当するシミュレーションモデルを図示したものである。

一方、スラブ導波路の実効屈折率をモード解析により求めた結果を、図６に示す。図６の結果から、基板厚み（図４のスラブ導波路を含む基板の厚みｈに相当する）が２．１〜３．０μｍの範囲においては、スラブ導波路の最低次の実効屈折率が、リブ導波路（厚さ４μｍ）の基本モード（2.11775674）と高次モード（2.10682458）の間に設定されることが分かる。

次に、図４のリブ導波路２３とスラブ導波路２４との間の溝であるトレンチの幅について検討する。基本的には、リブ導波路２３とスラブ導波路２４とは互いに近接させた方が、結合係数が大きくなるため、リブ導波路内の高次モード光が早く減衰する。しかしながら、両者を近づけすぎると、トレンチを加工形成することが困難となり、例えば、トレンチの深さが浅くなり、基本モード光の閉じ込め効率も悪くなるなどの弊害が出る。したがって、実際の作製が可能であり、かつ実用に十分な高次モード光の減衰を得るためには、トレンチ幅を１μｍ以上、１０μｍ以下の範囲に設定することが好ましい。

図７は、図４に示す本発明の光導波路素子について、シミュレーションを行うための境界条件(シミュレーションモデル）を示したものである。屈折率等の各種条件は、以下の条件を付加した以外は、上記「シミュレーションの条件（その１）」で説明したとおりである。
（シミュレーションの条件（その２））
スラブ導波路を含む基板厚み（ｈ）：２．５μｍ
トレンチ幅：２μｍ

図８は、シミュレーションの結果を図示したものであり、図５のリブ基本構造と図７の本発明の構造における、基本モード光と高次モード光の分布状態を示したものである。特に、（ａ）はリブ基本構造における基本モード光の分布状態、（ｂ）は本発明の構造における基本モード光の分布状態、（ｃ）はリブ基本構造における高次モード光の分布状態、（ｄ）は本発明の構造における高次モード光の分布状態を各々示している。

シミュレーションの結果が示すように、本発明に係るスラブ導波路構造によりリブ導波路構造の基本モード光は影響を受けていないが、高次モード光は、モードの分布形状が変形され、スラブ導波路構造への移動結合が発生していることがわかる。

さらに、リブ導波路構造に沿って、複数のスラブ導波路構造を離散して配置することにより、高次モード光はその不連続性により、接続損失を生じる。これにより、スラブ導波路構造のありとなしを、複数箇所設けることで、より早く高次モード光を減衰させることができる。

図９は、本発明の光導波路素子の一実施例を示す断面図である。図９の光導波路素子を形成するには、従来のプロセス技術を用いることが可能であり、以下に作製手順の一例を示す。

（光導波路素子の作成手順）
（１）基板の薄板化
Ｚ−ｃｕｔ型のＬｉＮｂＯ_３基板（ＬＮ基板）を研磨により薄板化する。基板厚みＨは、４μｍ程度とする。
（２）補強基板等の接合
ＬＮ基板（薄板）４０を補強基板６０への接着剤５０で貼り合せる。補強基板には、ＬＮ基板が利用可能である。
（３）リブ導波路の作製
トレンチ部８０をエッチング（エッチングの深さはＤ）もしくは機械加工により形成する。リブ導波路の幅Ｗは４μｍ、リブ側面の傾斜角度は７０°に設定できる。リッジ部の高さＤは２μｍ程度である。

（４）スラブ導波路のエッチング
スラブ導波路４２の実効屈折率を調整するため、スラブ導波路の高さをリブ導波路に比較して差分ｆだけ、エッチングにより低くする。エッチング方法は、従来のフォトリソ技術により、リブ導波路およびトレンチ部等、エッチングさせたくない部分をレジストで覆い、基板全体を所望の厚さになるまでエッチング処理する。エッチングはドライエッチングでも、ウェットエッチングでも可能である。エッチングする厚みｆは、１．５μｍ程度以下である。

（５）ＳｉＯ_２成膜
リブ導波路４１、スラブ導波路４２及びトレンチ部８０を被覆するように、ＳｉＯ_２膜を形成する。このＳｉＯ_２膜は、クラッドとして機能する。

以上の説明では、リブ導波路を構成する媒体として、ＬｉＮｂＯ_３基板を例示しているが、本発明の光導波路素子は、これに限られるものでは無く、ＰＬＺＴ，ＬｉＴａ_３などの誘電体、またＩｎＰやＳｉなどの半導体などにも適用可能である。リブ導波路などの光導波路やそれを形成する基板として、これらの各種材料を使用する場合には、ＬＮと同様に、スラブ導波路の高さや、光導波路又はスラブ導波路の屈折率を調整する材料のドープなどにより、着目する光導波路の外側の片側又は両側に配置される導波手段の実効屈折率を、当該光導波路における基本モードと２番目の高次モードのとの間の実効屈折率値に設定することが可能である。しかも、上述したように、トレンチ部の幅も考慮することで、高次モード光をより効率的に除去することができる。

また、本発明の光導波路素子では、リブ導波路のコアを構成する媒体の屈折率は、２．０以上の導波路材料を用いることが好ましい。このような屈折率を有するリブ型導波路では、特に、低損失かつ高い高次モード抑圧比を有する導波条件、すなわちシングルモード動作が困難であったが、本発明を用いることにより、モードの閉じ込めを十分に保ったまま、シングルモード動作可能なリブ型光導波路を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、基本モードの損失を抑制しながら、効率的に高次モードを減衰させることが可能な光導波路、所謂、低損失かつ単一モードの光導波路を有する光導波路素子を提供することが可能となる。

１，３ クラッドとなる媒体
２ コアとなる媒体
４０ ＬＮ基板
５０ 接着剤
６０ 補強基板
２０，２１，２３，４１ リブ導波路
２２，２４，４２ スラブ導波路
７０ ＳｉＯ_２膜
８０ トレンチ部

Claims (6)

1. 高屈折率のコアと、該コアより低屈折率のクラッドからなり、少なくとも複数の導波モードを有する光導波路を備えた光導波路素子において、
   該光導波路の長手方向の一部もしくは全長に渡り、該光導波路の外側の片側もしくは両側に、該光導波路における基本モードと２番目のモードとの間の実効屈折率に設定された導波手段が配置され、該導波手段で高次モード光を除去し、該光導波路にシングルモード光を残すことを特徴とする光導波路素子。
2. 請求項１に記載の光導波路素子において、該光導波路はリブ導波路構造であり、該導波手段は該リブ導波路構造のコア部の高さより低いスラブ導波路構造であることを特徴とする光導波路素子。
3. 請求項２に記載の光導波路素子において、該リブ導波路構造と該スラブ導波路構造との間には、幅が１〜１０μｍのトレンチが形成されていることを特徴とする光導波路素子。
4. 請求項２に記載の光導波路素子において、該リブ導波路構造を構成する媒質の屈折率が２以上であることを特徴とする光導波路素子。
5. 請求項４に記載の光導波路素子において、該リブ導波路構造を構成する媒質がニオブ酸リチウムであることを特徴とする光導波路素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光導波路素子において、該光導波路の長手方向に渡り、複数の該導波手段が離散して配置されていることを特徴とする光導波路素子。

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